BR112018009654B1 - Composição de material compósito, composição elastomérica e correia de transmissão de energia - Google Patents

Abstract

TRATAMENTO ADESIVO PARA FIBRA DE REFORÇO POLIMÉRICO E PRODUTOS REFORÇADOS. Uma composição adesiva aquosa para o tratamento de uma fibra de reforço para ligação a uma matriz polimérica termorrígida e produtos fabricados a partir destes, tais como correias de transmissão de energia. A composição adesiva inclui: água como solvente ou meio dispersante; um polieletrólito co-curável com a matriz polimérica; um material iniciador compatível com a fibra e co-curável com o polieletrólito; e opcionalmente um curativo de borracha compatível com o polieletrólito e a matriz polimérica. Um sistema polimérico compósito reforçado com fibra pode, assim, incluir uma matriz polimérica termorrígida, uma fibra de reforço embebida nela e uma composição adesiva que reveste a fibra; a composição adesiva inclui um poli-eletrólito co-curável com a matriz polimérica e um material iniciador compatível com a fibra e co-curável com o polieletrólito. A composição adesiva pode incluir um curativo compatível com o polieletrólito. Em uma forma de concretização preferida, a invenção é uma composição aquosa, incluindo água, uma resina epoxi, um derivado de polibutadieno maleatado e um curativo.

Description

[001] Esta invenção refere-se de modo geral a um tratamento adesivo para fibras ou um cordonél de tração para reforço de produtos poliméricos ou elastoméricos tais como correias de transmissão de energia e mangueiras, mais particularmente a um tratamento adesivo aquoso para fibras tais como fibra de carbono, que incluem um material iniciador como um epoxi, um material polieletrólito tal como um derivado de polibutadieno maleatado e um agente curativo tal como um peróxido orgânico ou um agente curativo a base de enxofre.

[002] O sistema de ligação de fibra mais comum no estado da técnica de produtos de borracha reforçada é baseado em fibra preparada tratada com adesivo resorcinol-formaldeído-látex ("RFL"). O documento de patente americano No. 6.857.159 B2, cujo conteúdo é aqui incorporado como referência, é um exemplo que descreve o uso de RFL em cordonéis de tração de fibra de carbono para correias de borracha. Muitas variações para o adesivo RFL foram propostas.

[003] Vários promotores de adesão suplementares foram propostos para aumentar a utilidade do RFL. Um exemplo é o documento de patente EP 1.451.244 Bl, que descreve um iniciador constituído por um polibutadieno de anel aberto, maleinizado e um derivado fenólico. Também é proposto que o iniciador pode ser usado como um aditivo ao RFL para reduzir o número de estágios de imersão. Outros promotores de adesão foram adicionados ao RFL.

[004] Outro exemplo de uma variação do RFL é a remoção do componente de resina de RF e a substituição de um material alternativo para promover a adesão ou fornecer outras propriedades. O documento de patente americano No. 7.256.235 B2 divulga uma composição adesiva compreendendo um látex de uma borracha de estireno-butadieno hidrogenada, uma borracha de estireno-butadieno hidrogenada carboxilada, uma borracha de nitrila-butadieno hidrogenada, uma borracha de nitrila- butadieno hidrogenada carboxilada, um polietileno clorossulfonado ou suas misturas; mais uma solução aquosa de um meio-éster de polibutadieno líquido maleinizado; e, opcionalmente, até cerca de 15% em peso de negro de fumo em uma solução aquosa. São descritos exemplos de cordonél de poliéster pré-tratado com isocianato.

[005] Documento de patente dos E.U.A. No. 7.067.189 B2 descreve um promotor de adesão compreendendo um filamento polimérico com um grupo epóxi- reativo diferente de um grupo hidroxila fenólico, e um grupo de reticulação que reticula o filamento polimérico com uma borracha em uma reação de reticulação. O promotor de adesão combinado com um látex de estireno-butadieno-vinilpiridina aumenta a adesão de borracha a fibras poliméricas. O promotor de adesão também pode ser adicionado à borracha. Os exemplos divulgados são baseados em cordonéis de poliéster com acabamento epóxi em compostos de borracha SBR e BR.

[006] No estado da técnica de correia de transmissão de energia, embora seja necessária uma excelente adesão de cordonél à borracha para aumentar a vida útil da correia, é igualmente importante que o cabo exiba uma boa fadiga por flexão para manter o desempenho, particularmente em aplicações de correia onde flexão de correia ocorre durante toda a vida útil. Realizar o equilíbrio certo de excelente adesão de cordonél e fadiga por flexão do cordonél tem sido um desafio fundamental em muitos projetos de correia, em parte porque a maioria dos sistemas adesivos convencionais (como o RFL) tornam-se relativamente rígidos dentro do cabo de cordonél e na interface do corpo cordonél-borracha após a vulcanização. Como resultado, quando essa correia é submetida a flexões repetidas ou dobras para trás, a camada adesiva torna-se mais frágil e deslamina, levando a falhas na correia. Os modos de falha podem incluir falha de tração do cabo, delaminação do adesivo, puxamento borda-cordonél, etc.

[007] Portanto, um sistema adesivo que pode fornecer tanto a excelente adesão de cordonél como fadiga por flexão seria desejável, especialmente para uso com alto módulo, alta rigidez, membros de tração como cordonéis de fibra de carbono.

SUMÁRIO

[008] A presente invenção é dirigida a composições de materiais compósitos e sistemas e métodos que proporcionam adesão e flexibilidade para reforços de fibras em compósitos poliméricos, ou fornecem adesão e flexibilidade para cordonéis de tração de fibra de carbono em correias de transmissão de energia.

[009] Uma composição adesiva aquosa para tratamento de uma fibra de reforço para ligação a uma matriz polimérica termorrígida e produtos feitos a partir dela, tais como correias de transmissão de energia e mangueira. A composição adesiva inclui: água como solvente ou meio dispersante; um polieletrólito co-curável com a matriz polimérica; um material iniciador compatível com a fibra e co-curável com o polieletrólito; e, opcionalmente, um curativo de borracha compatível com o polieletrólito e a matriz polimérica. Um sistema polimérico compósito reforçado com fibra pode, assim, incluir uma matriz polimérica termorrígida, uma fibra de reforço embebida nela e uma composição adesiva que reveste a fibra; a composição adesiva incluindo um polieletrólito co-curável com a matriz polimérica e um material iniciador compatível com a fibra e co-curável com o polieletrólito. A composição adesiva pode incluir um curativo compatível com o polieletrólito. Em uma forma de concretização preferida, a invenção é uma composição adesiva aquosa incluindo água, uma resina epoxi (de um modo preferido, uma dispersão ou solução aquosa de epoxi), um derivado de polibutadieno maleatado e um agente curativo.

[010] A invenção também se refere a uma fibra de carbono, ou a outro (s) material (ais) de fibra, cordonél de tração ou outras formas de fibra tratadas com a composição adesiva inventiva. A invenção refere-se também a produtos reforçados com carbono, tais como cintos, mangueiras e semelhantes, que incluem o cordonél de tração tratado de acordo com a invenção ou formas de fibra de reforço.

[011] O anteriormente exposto delineou bem amplamente as características e vantagens técnicas da presente invenção, a fim de que a descrição detalhada da invenção que se segue possa ser melhor compreendida. Características e vantagens adicionais da invenção serão aqui descritas, que se seguem constituem o objeto das reivindicações da invenção. Deve ser apreciado pelos versados na técnica que a concepção e forma de concretização específica aqui divulgadas podem ser prontamente utilizadas como base para modificar ou conceber outras estruturas para realizar os mesmos objetivos da presente invenção. Deve também ser apreciado pelos versados na técnica que tais construções equivalentes não se afastam do âmbito da invenção conforme estabelecido nas reivindicações anexas. As características inovadoras que se acredita serem características da invenção, tanto quanto à sua organização e método operacional, juntamente com outros objetos e vantagens serão melhor compreendidas a partir da descrição seguinte quando considerada em conexão com as figuras anexas. É para ser expressamente compreendido, no entanto, que cada uma das figuras é fornecida apenas para fins de ilustração e descrição e não pretende ser uma definição dos limites da presente invenção.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[012] Os desenhos anexos, que são incorporados e fazem parte da especificação na qual números iguais designam partes semelhantes, ilustram formas de concretização da presente invenção e, juntamente com a descrição, servem para explicar os princípios da invenção. Nos desenhos:

[013] A figura 1 é uma representação esquemática da química e utilização de uma forma de concretização da invenção;

[014] A figura 2 é uma vista em perspectiva de um corpo de prova de adesão do cordonél de uma correia dentada;

[015] A figura 3 é uma representação esquemática de um teste de flexão de correia plana;

[016] A figura 4 é uma seção transversal de uma correia plana utilizada no teste da figura 3; e

[017] A figura 5 é uma representação esquemática para um teste dinâmico de flexão de uma correia síncrona do tipo automotiva.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[018] A presente invenção refere-se a uma composição adesiva aquosa para o tratamento de uma fibra de reforço para ligação a uma matriz polimérica termorrígida. A composição adesiva inclui: água como solvente ou agente dispersante; um polieletrólito co-curável com a matriz polimérica; um material iniciador compatível com a fibra e co-curável com o polieletrólito; e opcionalmente um curativo de borracha compatível com o polieletrólito e a matriz polimérica. Um sistema polimérico compósito reforçado com fibra pode, assim, incluir uma matriz polimérica termorígida, uma fibra de reforço embebida nela e uma composição adesiva que reveste a fibra; a composição adesiva incluindo um polieletrólito co-curável com a matriz polimérica e um material iniciador compatível com a fibra e co-curável com o polieletrólito. A composição adesiva pode incluir um curativo compatível com o polieletrólito. Em uma concretização preferida, a invenção é uma composição adesiva aquosa incluindo água, uma resina epoxi (de um modo preferido, uma dispersão ou solução aquosa de epoxi), um derivado de polibutadieno maleatado e um agente curativo.

[019] Aquoso significa que a composição adesiva é fornecida através de um sistema à base de água. A composição pode ser uma solução aquosa, uma dispersão aquosa ou uma emulsão aquosa ou suas misturas. A composição pode ser fornecida ao material fibroso por qualquer processo de tratamento adequado, incluindo imersão, pulverização, revestimento com rolo ou faca, escovagem ou semelhantes. O tratamento pode ser seguido por secagem sob condições ambientais ou condições aquecidas para remover a água. O aquecimento pode ser controlado para evitar a cura prematura do adesivo ou para fornecer algum grau de cura. Algum grau de cura após o tratamento pode ser desejado para controlar a aderência ou viscosidade da fibra de reforço tratada.

[020] O polieletrólito pode incluir insaturação, proporcionando locais de cura no cadeia principal polimérico ou em grupos laterais, e grupos funcionais, tais como carboxila, hidroxila, sulfonato, maleimidas, grupos amino e semelhantes, que podem facilitar a ligação com outros grupos funcionais. ou substratos. Os materiais polieletrólitos podem ter funcionalidade carregada "positivamente" ou "negativamente" ligada a ou envolvente. Esses polieletrólitos podem incluir, mas não estão limitados a, monômeros / oligômeros / polímeros iônicos, eletrólitos poliméricos, líquidos poli (iônicos), elastômeros iônicos, agentes tensioativos iônicos, coagentes iônicos. A composição adesiva pode incluir material polieletrólito com múltiplos (ou seja, mais de um) grupos funcionais ou tipos como grupos eletrólitos pendentes ou grupos laterais na molécula polieletrólita, e pode ser uma combinação de múltiplos polieletrólitos. A combinação de polieletrólitos pode ser realizada misturando os polieletrólitos adequados ou por adição seqüencial de um ao outro em formas úmidas ou secas ou por imersão, pulverização ou métodos de deposição manual.

[021] Exemplos de polieletrólitos adequados incluem: polibutadienos maleatados ou copolímeros de estireno-butadieno, poliestireno sulfonado ou polibutadieno ou copolímeros de estireno-butadieno, elastômeros de etileno alfa- olefina maleatados e semelhantes.

[022] "Maleatado" aqui significa que o polímero é enxertado com ácido maléico (isto é, "enxertado com ácido maleico") (ou enxertado com anidrido maléico e depois hidrolisado formando diácido) e depois neutralizado com uma base tal como NaOH, H4OH, KOH, etc. “Carboxilado” aqui significa que o polímero é enxertado com um ácido carboxílico e depois neutralizado. Do mesmo modo, "sulfonatado" significa aqui que o polímero é enxertado com um ácido sulfônico e depois, pelo menos parcialmente, neutralizado. Assim, os grupos aniônicos de ácidos orgânicos podem ser neutralizados com cátions alcalinos, alcalino-terrosos ou de metais de transição, incluindo, por exemplo, zinco, sódio, alumínio, cálcio, cobre, ferro, magnésio, potássio, lítio, etc. Outros grupos iônicos que podem ser utilizados incluem tioglicolato ou fosfonato, e cationômeros, por exemplo contendo grupos amônio quaternários. "Enxertado" pode ser obtido por uma reação de enxerto que liga o grupo funcional ao polímero, ou por copolimerização com um monômero funcional. Os polieletrólitos preferidos são solúveis em água, ou pelo menos facilmente dispersáveis em água a níveis até cerca de 30% em peso. O conteúdo de "maleato" (MA) em peso pode estar na faixa de 1 a 30%; o número de grupos AM por cadeia entre 1 a 20 grupos por cadeia. Os polieletrólitos com menos de cerca de 15 moles porcento de grupos iônicos por cadeia são frequentemente classificados como "ionômeros". Aqui, os polieletrólitos incluem os ionômeros. Os polieletrólitos preferidos podem ter 1 a 15 moles porcento de grupos iônicos por cadeia, ou de 5 moles porcento a 15 moles porcento. O peso molecular do polímero maleatado pode preferivelmente se situar entre 3000 e 6000 Mn, e pode conter grupos vinila com um teor entre 10-35%, preferivelmente cerca de 28% em peso. O teor de sólidos do material polimérico maleatado na formulação adesiva aquosa pode se situar entre 20-40% em peso, e a formulação adesiva pode ter pH entre 4,0 e 12,0, preferivelmente cerca de 8,0 a cerca de 9,0; e viscosidade à temperatura ambiente inferior a cerca de 1000 cps. O polímero maleatado pode também ser misturado com ou sem tensioativos para aumentar a estabilidade de uma dispersão, a qual pode ter partículas sólidas que têm tipicamente menos de 500 nm de tamanho. Em tal caso, a formulação aquosa de polieletrólito pode ser considerada como um látex iônico (ou látex ionomérico).

[023] Os polieletrólitos exemplificativos para a composição adesiva são Ricobond® 7002 e Ricobond® 7004, comercializados sob essa marca comercial pela Cray Valley. Acredita-se que estes sejam sais neutralizados de resinas de polibutadieno de baixo peso molecular (isto é “maleatadas” conforme aqui descrito), presumivelmente com níveis relativamente elevados de ligações de 1,2-polibutadieno no polímero de base. Os níveis de maletação são relatados como sendo 5 e 11 grupos funcionais por cadeia, respectivamente. Eles vêm como dispersões aquosas no conteúdo de sólidos de 28-31% em peso, pH de 8,0-9,0 e tendo viscosidades a 25 ° C <200 cps e <500 cps, respectivamente.

[024] O polibutadieno maleatado pode também incluir polibutadieno enxertado com ácido maleico, seguido por esterificação de um grupo ácido e neutralização do outro grupo ácido em cada grupo maleico pendente. Alternativamente, o polibutadieno pode ser enxertado com anidrido maleico seguido por hidrólise dos grupos anidrido formando ácido carboxílico e semi-esterificação e neutralização.

[025] Outros polieletrólitos exemplificativos contemplados nesta invenção incluem o polipropileno maleatado, como a Emulsão Michem® 91735, e polibutadieno maleatado (BdMA), tal como Michem® Emulsion 48625M1, que estão disponíveis pela Michelman, Inc .; um aduto de anidrido maleico de um 1,4-cis-polibutadieno de baixo peso molecular com grupos anidrido succínico ao longo da cadeia polimérica tal como Polyvest® MA 75 (ou Polyvest® EP MA 120), ou uma versão polibutadieno terminada com hidroxila tal como Polyvest ® HT (ou Polyvest® EP HT), ambos vendidos pela Evonik. Outros exemplos incluem vários ionômeros, tais como material de inômero de butila tal como X Butyl ™ I4565P da LANXESS; poli (p-estirenossulfonato de sódio); Emulsões poliméricas acrílicas iônicas, como o material Romax ™ 7000 da DOW. O polieletrólito Romax ™ pode ser ácido funcionalizado, neutralizado com base e pode ter cargas aniônicas ou catiônicas. Os polieletrólitos que também são considerados são os diacrilatos metálicos, incluindo os diacrilatos de zinco, por exemplo, os produtos Dymalink ™ 633/634 da Cray Valley; Resinas Dupont ™ Surlyn®, que são uma família de copolímeros de ácido etilenometacrílico iônico que podem conter grupos funcionais ácidos e podem ser neutralizados com sais metálicos, como zinco, sódio, etc.

[026] Outros polieletrólitos contemplados para esta invenção incluem líquidos iônicos polimerizáveis e monômeros. "Polimerizável" implica que o material tem pelo menos uma ligação "insaturada" ou é reticulável a si próprio ou a outro polímero utilizando um sistema de peróxido ou cura por enxofre. Por exemplo, sais metálicos de ácidos carboxílicos tais como diacrilato de zinco, dimetacrilato de zinco e semelhantes são exemplos de monômeros iônicos polimerizáveis.

[027] Em geral, os produtos químicos poli (iônicos) incluem polieletrólitos aniônicos e catiônicos, incluindo aqueles que contêm grupos funcionais, tais como, carbonila, hidroxila, amino, grupos acrílicos, etc. E o peso molecular médio numérico de tal material de polieletrólito pode preferivelmente se situar na faixa de 100 a 10000.

[028] O material iniciador é uma substância química ou mistura de substâncias químicas com afinidade conhecida para a superfície da fibra e reativa com o polieletrólito. Por exemplo, os materiais iniciador epoxi que são solúveis em água são geralmente preferidos para utilização com carbono, fibras de vidro, etc., como dimensionamento ou acabamento na superfície da fibra. Tal material iniciador epoxi pode ser principalmente preparado a partir de ou formulado com base em resinas do tipo epoxi, tais como tipo glicidilamina, novolak, cresol novolak, bisfenol A, F e S, bisfenol A brominatado, resinas do tipo bisfenol A funcionalizadas com uretano e outras. Outros exemplos de materiais iniciadores incluem poliuretanos solúveis ou não fluidos, álcool polivinílico, poliamidas (ex. Dispersão de náilon), polietileno, silanos, polipropileno, copolímeros de ácido vinil acrílico, etc. Os materiais iniciadores podem ser funcionalizados com grupos que facilitam a afinidade com a superfície da fibra ou que ajudam a dispersão na água.

[029] Em formas de concretização da invenção, os materiais iniciadores podem incluir surfactantes aniônicos e catiônicos, monômeros ou polímeros com transição vítrea inferior a 120 ° C e podem ter um teor de sólidos <60%, viscosidade <5000 cps e pH entre 2-12. Os materiais iniciadores baseados em aniônicos podem ter grupos como sulfatos, sulfonatos, fosfatos, carboxilatos, etc. em sua estrutura molecular. Os catiônicos podem incluir aqueles baseados em aminas primárias, secundárias ou terciárias, e grupos de amônio quaternário.

[030] Exemplos de material iniciador preferidos podem depender do tipo de fibra e borracha. Como exemplo, um iniciador para uso com fibra de carbono pode ser um epóxi ou um poliuretano, com ou sem um curativo. Um iniciador epoxi ou funcional com isocianato pode ser usado com poliéster ou fibra de aramida. Um iniciador silano pode ser usado com vidro.

[031] Da mesma forma, a escolha de curativo pode depender do tipo de borracha. Os curativos de enxofre ou acelerados por enxofre podem ser preferíveis para os dienos elastoméricos ou outros polímeros insaturados, enquanto os curativos com peróxido podem ser preferíveis para polímeros saturados, como EPM ou HNBR.

[032] Os produtos químicos iniciadores / encolantes exemplificativos contemplados para utilização na prática desta invenção incluem epóxis (dispersões aquosas) tais como Hydrosize® EP834 e Hydrosize® EP876 vendidos por Michelman, Inc .; copolímero de ácido etileno-acrílico vendido como Michem® Prime 2960 com dispersão amoniada como emulsionante; encolantes não iônicos de poliuretano, como Hydrosize® Ul-01, Hydrosize® U2-01, Michem®.

[033] Dispersão de uretano 16, para engomagem em fibra de vidro, poliéster e fibra de carbono, incluindo fibras cortadas; butadieno maleatado (BdMA) com nome comercial Michem® Emulsion 48625M1 também para engomagem em fibras de vidro, carbono e várias fibras; encolante de poliamida (nylon) vendido como Hydrosize® PA845 todos por Michelman, Inc .; dispersões iônicas de poliuretano, como os produtos químicos Astacin® vendidos pela BASF, os produtos químicos Roda® pur da TFL, os produtos químicos Ruco®-PUR da Rudolf GmbH e outros.

[034] Um aspecto da invenção envolve a formulação da composição adesiva, de modo que contenha o mesmo produto químico ou semelhante do tipo encolante usado como acabamento ou engomagem na superfície da fibra, mais o material polieletrolítico e os agentes curativos.

[035] Curativo significa um material reativo que forma ou facilita a formação de reticulações entre moléculas poliméricas em uma matriz polimérica termorígida.

[036] A reticulação da composição adesiva pode ser realizada por processos e sistemas de cura por peróxido, cura por enxofre, térmica ou por processo de foto- irradiação que podem desencadear a geração de intermediários reativos, que podem incluir radicais, cátions / ânions radicais que podem causar polimerização da composição adesiva e reticulação à matriz termorrígida, que pode ser, por exemplo, borracha ou outro elastômero ou polímero. O curativo pode ser enxofre, aceleradores de enxofre, peróxidos, óxido de zinco, bis-maleimida, diaminas, isocianatos, etc.

[037] Os curativos exemplificativos contemplados para uso nesta invenção incluem curativos de peróxido, por exemplo, 2,5-dimetil-2,5-di (t-butilperoxi) hexano geralmente vendidos sob os nomes comerciais Luperox® 101XL45 por Arkema Group e Varox® DBPH emulsão por RT Vander-bilt; e a, a'-bis (terc-butilperoxi) diisopropilbenzeno vendido sob o nome comercial Vul-Cup® por Arkema Group, e peróxido de dicumila vendido sob o nome comercial Di-Cup® por Arkema Group.

[038] Os curativos ou aceleradores de cura por enxofre úteis para a invenção incluem benzotiazóis (por exemplo, 2-mercaptobenzotiazol; 2,2'-ditiobenzotiazol; 2- morfolinotiobenzotiazol), benzotiazol-sulfonamidas (por exemplo, n-ciclo- hexilbenzotiazol-2-sulfenamida; n-tert-butilbenzotiazol-2-sulfenamida), tiuranos (por exemplo di-sulfureto de tetrametiltiuram), ditiocarbamatos (por exemplo, dimetilditiocarbamato de zinco) e semelhantes. Esses aceleradores podem ser usados em conjunto uns com os outros ou ativadores como o óxido de zinco.

[039] Outros ingredientes podem ser incluídos conforme necessário, sem limite particular. Outros desses ingredientes incluem tensioativos, estabilizadores, modificadores de pH, espessantes, antidegradantes, corantes e pigmentos, cargas, amaciadores de tecidos, auxiliares de processamento, reodorantes e semelhantes.

[040] Ingredientes úteis na formulação convencional de látex como descrito em R.F. Mausser, ed., "The Vanderbilt Latex Handbook", R.T. Vanderbilt Company, Inc. (3d ed., 1987) também podem ser usados.

[041] A composição também pode incluir cargas (por exemplo, negro de fumo, grafite, grafeno, óxido de grafeno, sílica, argila, nanotubos de carbono, nanofibras e nanopartículas orgânicas e inorgânicas, tais como as de nanofibras de celulose, nanofibras de aramida, nanopartículas de base metálica, nanomateriais contendo ponto quântico e de semicondutores, etc.), coagentes (por exemplo, coagentes tipo I e tipo II) e similares.

[042] Acredita-se que a adição do material iniciador (como um encolante ou material compatível com encolante) como parte da composição adesiva permite uma melhor interação / umidificação / ligação da composição adesiva à superfície de fibra, permitindo assim uma melhor aderência à superfície. Imagens de micrografia eletrônica de varredura (SEM) de fibras de carbono de fibras cruas (não tratadas) versus fibras tratadas com adesivo inventivo versus fibras tratadas com adesivo látex convencional revelaram uma cobertura molhante e adesiva muito melhorada na superfície da fibra com a composição adesiva inventiva. A reação de encolante / material iniciador com o polieletrólito e / ou ligação do adesivo à superfície da fibra pode envolver a formação de ligações covalentes, ligação de hidrogênio, eletrostática, van der Waals ou interações de ligação π-π. O material iniciador pode reagir primeiro com o polieletrólito ou simultaneamente com a superfície da fibra (com ou sem engomagem na fibra). O teor de iniciadores da composição adesiva pode ser escolhido para obter um teor de acabamento final na fibra entre 0,2-2% em peso. Notavelmente, a fibra pode ou não ter a engomagem aplicada à superfície pelo fabricante.

[043] Uma vez que a composição adesiva é aplicada à superfície da fibra, o curativo facilita então a reticulação do polieletrólito à matriz polimérica / elastomérica / de borracha, assegurando assim uma adequada adesão da composição adesiva à matriz e à superfície de fibra. Isto preferivelmente não ocorre durante a secagem da fibra tratada, mas ocorre durante uma etapa de vulcanização ou reticulação quando em contato com a matriz elastomérica.

[044] Notavelmente, a composição adesiva não precisa ser misturada com, ou pode ser totalmente livre de, látex não-iônico tradicional (por exemplo, HNBR, VPSBR, CR ou neoprene, NBR, XNBR, etc.), nem precisa conter resorcinol, fenol, formaldeído ou resinas RF ou PF. Com base nos resultados dos extensos testes de adesão, as formas de concretização da composição adesiva proporcionam compatibilidade superior e adesão de fibra de carbono a vários materiais de borracha, incluindo nitrila (NBR) e nitrila (HNBR), elastômeros de etileno-alfa-olefina (como EPDM, EPM , EOM, etc.), borrachas de policloropreno (CR) e similares que podem ser vulcanizadas por curativos à base de peróxido ou enxofre. A composição adesiva pode ser considerada mais amplamente aplicável do que outros tipos de composições adesivas conhecidas no estado da técnica, pois muitos sistemas adesivos anteriores dependem da inclusão de material de látex específico, em parte para proporcionar compatibilidade a um tipo de borracha específico.

[045] Também é digno de nota que os adesivos RFL convencionais são mais seletivos em relação ao tipo de cordonél ou fibra, tipo de borracha usado e / ou aplicação. Por exemplo, alguns adesivos RFL podem ser adequados para um tipo de fibra, mas não são adequados para outro devido a diferenças na engomagem da superfície da fibra ou à natureza molecular da fibra. Embora a química dos adesivos RFL seja bem conhecida no estado da técnica, conseguir uma boa ligação aditiva normalmente pode exigir várias modificações no adesivo RFL (por exemplo, mudar o tipo de látex), ou as condições do processo de tratamento, seleção cuidadosa de um tratamento com iniciador, ou mesmo modificação do composto de borracha. Esses desafios podem tornar os RFLs menos ideais para uso em uma ampla variedade de cordonéis e mais complicados para uso em produtos comerciais mais viáveis, por exemplo, cintos, onde a adesão superior desempenha papel vital na fadiga por flexão e na vida útil prolongada.

[046] A composição adesiva pode ser aplicável a uma ampla variedade de fibras de reforço usadas em compósitos de borracha e polímeros. Estas fibras incluem fibra de carbono, fibra de vidro, fibras de boro, fibras cerâmicas, fibras metálicas, fibras naturais tais como fibras celulósicas e fibras orgânicas sintéticas tais como aramidas, poliamidas, poliésteres, poliolefinas, poliuretanos, acrílicos, modacrílicos, vinylon, poliarilenossulfuretos, poliéter-cetonas e semelhantes. A fibra de carbono pode ser qualquer tipo de fibra celulósica carbonizada ou fibra sintética.

[047] As fibras úteis na ou com esta invenção podem ser monofilamentos ou multifilamentos contínuos ou cordonéis de fibra cortada, fios ou cordonéis. As fibras podem ser fibras curtas dispersíveis, incluindo fibras cortadas ou fibriladas. As fibras podem ser na forma de tecidos, incluindo tecidos-tecidos, tecidos de malha ou não- tecidos. As fibras podem estar em qualquer combinação ou ser híbridas dos tipos de fibras ou formas acima mencionados. Em formas de concretização particulares, as fibras estão na forma de cordonéis de tração torcidos, revestidos por imersão (dipping) na formulação adesiva. Tal cordonél tratado pode ser usado como cordonéis de tração para embutir no corpo principal de borracha ou poliuretano de uma correia de transmissão de energia ou correia transportadora. Os testes dessas correias de transmissão de energia incluem correias dentadas ou síncronas, correias em V e correias planas.

[048] De acordo com várias formas de concretização desta invenção, as fibras ou cordonéis com a composição adesiva podem ter grupos funcionais polares reativos (por exemplo, grupos carbonila e hidroxila) que podem ligar-se a uretanos, poliuretanos ou formar produtos fazendo reagir com isocianatos , prepolímeros de isocianato, poliamidas, etc. Acredita-se que a composição adesiva inventiva pode não apenas ser aplicada a vários cordonéis de tração para adesão superior, mas a tecidos ou filamentos não entrançados planos tornando-a bastante adequada para processos de enrolamento de filamentos úmidos que podem ser realizados por imersão ou métodos de pulverização. Em resumo, a fibra tratada com a composição adesiva é capaz de proporcionar ligação adequada a uma variedade de produtos ou bens elastoméricos termoplásticos e termorrígidos - bens tais como correias de transmissão de energia, correias transportadoras, mangueiras, vasos de pressão enrolados em filamentos, pneus, etc.

[049] A química da composição adesiva inventiva e um mecanismo proposto para aderir a uma matriz termorrígida (por exemplo, borracha) e uma superfície de fibra são representados nas fórmulas abaixo.

[050] A fórmula I ilustra uma estrutura genérica de um produto químico epóxi do tipo bisfenol A usado para acabamento de engomagem em carbono e outras fibras sintéticas. Estas resinas epoxi são formadas pela reação de epicloridrina com bisfenol A para formar éteres diglicidílicos de bisfenol A. A resina mais simples desta classe é formada pela reação de dois moles de epicloridrina com um mole de bisfenol A para formar o éter diglicidílico bisfenol A (n = 0 na Fórmula I). Quanto menos epiclorohidrina utilizada, quanto maior for n, maior o peso molecular e menos funcionalidade epoxi na molécula (em peso), uma vez que os grupos epoxi estão justamente nas extremidades. As resinas epoxi podem ainda ser preparadas em formas aquosas por dispersão em água até 70% em peso, e as referidas dispersões podem conter formadores de película e surfactantes relevantes que auxiliam na estabilidade das dispersões contra, por exemplo, agregação de partículas.

sítios reativos - sítios reativos adesivos - resistência térmica Formula II

[051] A fórmula II ilustra uma possível reação de um produto químico inicidor tipo epoxi com polibutadieno maleatado. Os grupos epoxi nas extremidades da resina epoxi não são mostrados. Além disso, a forma polimérica de MA-PBD (polieletrólito ou ionômero de polibutadieno maleatado) apresentada é baseada em 1,4- polibutadieno com algum teor de 1,2-vinila. Esta Fórmula II captura a essência da química envolvida na composição adesiva inventiva. Em última análise, a composição adesiva é o produto da reação de um polieletrólito co-curável com a matriz polimérica e um material iniciador compatível com a fibra e co-curável com o polieletrólito, e opcionalmente um curativo compatível com o polieletrólito ou a matriz elastomérica. O material compósito resultante é, em última instância, o produto da reação do polieletrólito, do material iniciador, da superfície da fibra e do material da matriz polimérica, e do curativo opcional.

Produto de reação (Epoxi - derivado MA-PBD) Fórmula II.

[052] A figura 1 ilustra um sistema compósito polimérico 20 incluindo uma forma de concretização da composição adesiva 23 ligada à superfície de fibra 22 por ligações à base de epoxi 24 e reticulada via agentes de cura à base de peróxido ou enxofre 25 à matriz de borracha 26.

[053] Fórmulas I-II e FIG. 1 ilustram assim uma forma de concretização da invenção. Como um exemplo do material iniciador para a composição adesiva, uma estrutura química genérica de um epóxi do tipo bisfenol A é mostrada na Fórmula I. Notavelmente, as resinas epóxi são bem conhecidas no estado da técnica como produtos químicos para engomagem ou acabamento em muitas fibras naturais e sintéticas na indústria. Por conseguinte, é contemplado que o produto químico de engomagem na formulação adesiva (por exemplo, epoxi) será altamente compatível com muitas fibras naturais e sintéticas, com os grupos epoxi que reagem para ancorar o adesivo à superfície da fibra. Além disso, o material iniciador pode reagir com o produto químico polieletrólito, mostrado, por exemplo como MA-PBD na Fórmula II. Por exemplo, os grupos hidroxila reativos do produto químico epoxi podem reagir com o grupo carboxila do derivado MA-PBD por adição nucleofílica. Assim, tal como anteriormente mencionado, é também possível que o iniciador epoxi possa tanto ajudar a molhar e ligar à superfície da fibra como reagir com o polieletrólito que pode ligar-se à matriz polimérica ou de borracha. Finalmente, a figura 1 representa uma visão de como a composição adesiva adere à superfície de uma fibra e reticula-se a uma matriz de borracha via insaturação ou hidrogênio reativo no polieletrólito.

[054] Pode-se notar que um adesivo de revestimento convencional opcional pode ser aplicado a fibra tratada com a composição adesiva inventiva para aumentar a compatibilidade com uma matriz polimérica ou outro material que pode ser particularmente difícil de se ligar.

Exemplos

[055] Foi misturada uma composição adesiva aquosa exemplificativa até uma base de peso em úmido consistindo em 86,7% de Ricobond® 7002 como o polieletrólito (30% de sólidos), 4,8% de Hydrosize EP834 da Michelman como a resina epóxi bisfenol A (60% de sólidos ) 0,7% de Luperox® 101XL45 da Harwick como curativo de peróxido (45% de sólidos) e 7,8% de água destilada adicional. Isto é referido como o adesivo inventivo nos resultados que se seguem.

[056] Adesivos comparativos também foram misturados. Um adesivo HNBR RFL comparativo foi preparado usando a tecnologia convencional RFL. Preparou-se um adesivo comparativo de látex de HNBR usando látex comercialmente disponível, agentes curativos e promotores de adesão. Da mesma forma, foi preparado um adesivo comparativo de látex CR.

[057] Cada uma das formulações adesivas avaliadas foi preparada nas mesmas condições e cada uma continha cerca de 30% de sólidos. Uma alíquota alíquota de cada uma das formulações aquosas foi seca e curada a 170oC durante 30 minutos para teste na forma de película sólida. Os adesivos comparativos e aditivos da invenção foram usados para tratar cordonéis de tração de fibra de carbono tendo um uso final pretendido em correias de transmissão de energia de HNBR e EPDM. Os cordonéis foram testados quanto à resistência à tração e adesão à borracha HNBR e EPDM, usando formulações convencionais de borracha e métodos de teste.

[058] Os adesivos de cordonél devem ter boa resistência térmica para resistir às condições de alta temperatura experimentadas durante a fabricação da correia e na aplicação onde as temperaturas da correia podem exceder 120 ° C. Os métodos de caracterização de análise termogravimétrica (TGA) e calorimetria diferencial de varredura (DSC) foram utilizados para comparar a estabilidade térmica da composição adesiva inventiva com outros adesivos conhecidos no estado da técnica.

[059] A Tabela 1 mostra dados para as comparações de transição vítrea e estabilidade térmica de filmes curados do adesivo inventivo versus sistemas adesivos baseados em látex e RFL. TABELA 1

[060] Pode-se observar que a composição adesiva inventiva apresenta uma estabilidade térmica melhor ou comparável em comparação com os sistemas convencionais RFL e adesivos à base de látex, como indicado pelo início da perda de peso do material curado.

[061] Curiosamente, o adesivo da invenção também exibiu a menor temperatura de transição vítrea, o que pode implicar que a composição adesiva inventiva poderia manter seu desempenho adesivo e / ou estabilidade em uma ampla faixa de temperaturas, por exemplo, de -120 ° C a mais de 250 ° C, que pode torná-lo uma excelente composição adesiva de escolha para uso em reforços de fibra em uma ampla gama de aplicações, variando de correias de transmissão de energia ou outros produtos reforçados projetados para uso em temperaturas abaixo de zero àqueles em que o produto normalmente experimenta temperaturas muito altas. Além disso, os melhoramentos em estabilidade térmica, ou resistência ambiental, ou semelhantes, podem ser realizados por manipulações da composição adesiva, seus constituintes ou condições de processamento de material sem se desviar do âmbito da invenção como aqui descrito. Por exemplo, as proporções dos produtos químicos constituintes na formulação podem variar durante a mistura, cargas e novos produtos químicos podem ser adicionados para melhorar o desempenho, e as condições de temperatura podem ser ajustadas para adequar o manuseio e / ou o processamento do material. Um exemplo de uma aplicação de correia em que condições de temperatura elevadas (bem como temperaturas muito baixas) são geralmente encontradas nas aplicações de correia de transmissão variável contínua (CVT).

[062] As avaliações iniciais das propriedades adesivas da composição adesiva foram realizadas usando um método de teste similar ao padrão ASTM D4776 (isto é, um teste H para reforço de cordonél para adesão de borracha). A aplicação do adesivo ao cordonél foi realizada por processos convencionais de tratamento de cordonél conhecidos no estado da técnica.

[063] O termo "cordonél" é utilizado nesta descrição para designar uma combinação de um ou mais fios que podem ser torcidos como é conhecido no estado da técnica, e onde dois ou mais fios são empregados, pode além disso ser colocados ou empacotados ou torcidos juntos e tratados com um ligante ou adesivo para uso em um produto de borracha reforçado, como um cinto. Em uma forma de concretização desta invenção e para fins de prova de conceito, a composição adesiva inventiva foi aplicada ao cabo de fibra de carbono mergulhando o cabo em um tanque de mergulho contendo o adesivo, depois secando o cabo mergulhado em um forno para remover o excesso de água. O cabo tratado pode então ser torcido isoladamente ou dobrado / empacotado / cablado com outro cabo do mesmo tipo de fibra ou tipo diferente. Descrição mais detalhada de um processo de tratamento de cordonél é feita no documento de patente No. 8 672 788 B2, cujos conteúdos são aqui incorporados por referência. Tipicamente, mergulhar o cabo no adesivo e secar no forno leva cerca de 0,5 a 5 minutos, e preferivelmente 1-3 minutos. A temperatura de secagem situa-se tipicamente na faixa de 100-130 ° C. Em uma forma de concretização da presente invenção, a coleta (% DPU) do adesivo pode variar entre 5% e 20% do peso seco final do cordonél tratado. O processo de torção é feito usando métodos, máquinas ou configurações conhecidas no estado da técnica. O cordonél torcido pode ou não ser adicionalmente revestido com camadas adesivas adicionais, geralmente conhecidas como "cobertura" ou "adesivo de sobrecapa", que se destina principalmente a revestir o exterior do cordonél para melhorar a aderência à matriz de borracha ou a proteção ambiental do cordonél. % DPU de sobrecapa pode geralmente variar de cerca de 1% a cerca de 10% em peso seco, com base no peso final do cordonél assim tratado. Exemplos de adesivos úteis de sobrecapa são encontrados no estado da técnica e podem incluir várias composições vendidas sob as marcas comerciais CHEMLOK da Lord Corporation, e várias composições vendidas sob a marca CILBO D da ChemiCal Innovations Limited (CIL), ou a MEGUM ™. Adesivos THIXON ™ e ROBO D ™ vendidos pela The Dow Chemical Company. O revestimento especial pode ser escolhido para ser compatível com a matriz de borracha ou corpo da correia e ter outras propriedades desejadas, como resistência ao calor ou resistência à umidade ou ao ozônio. Deve ser entendido que a composição adesiva e o processo de tratamento do cordonél correspondente podem ser igualmente aplicáveis a outras fibras / cordonéis, incluindo fibras de vidro, poliéster, aramida, basalto, PBO e similares, ou híbridos dos mesmos.

[064] As fibras de carbono são conhecidas por suas excelentes propriedades de tração, alta rigidez e alto módulo, e como resultado, continuaram a ganhar interesse como reforço de fibra de escolha em muitos artigos e produtos compostos reforçados com fibras de alto desempenho / avançado. Avanços recentes no projeto de correias com cordonéis de tração de carbono demonstram melhora significativa na capacidade de carga, melhor vida útil da correia, maior rigidez axial e estabilidade dimensional da correia do que as que têm cabos de vidro ou de aramida ou poliéster como reforço. Embora o uso de fibra de carbono para reforços de borracha, como cintos ou pneus, tenha sido apresentado anos atrás, ainda existem desafios encontrados na fabricação de cabos de carbono adequados para amplas aplicações comerciais. Um aspecto disso é a dificuldade em desenvolver um adesivo adequado que possa fornecer uma ligação suficiente à superfície das fibras de carbono. Isto pode ser porque, ao contrário das outras fibras acima mencionadas, as fibras de carbono não possuem grupos funcionais ativos em sua estrutura molecular que possam ter facilitado a ligação a um material adesivo. E embora a engomagem do produto químico aplicado às fibras pelos fabricantes possa melhorar a ligação a um adesivo, a engomagem ajuda principalmente no manuseio de modo a evitar danos às fibras durante o transporte, armazenamento ou enrolamento em torno de bobinas ou polias. É ainda mais difícil conseguir uma adequada penetração e engomagem dos adesivos convencionais, seja em solvente ou em formas aquosas, em um fio de carbono pré-torcido. Além disso, as fibras de carbono são mais propensas a formar penugem ou desgaste durante o processo de tratamento do cordonél.

[065] De acordo com formas de concretização desta invenção, o tamanho de cabo de fibra de carbono pode variar de 100 a 100.000 filamentos, embora a maioria das fibras disponíveis comercialmente esteja entre 1.000 a 48.000 filamentos. Os fios de fibra de carbono são geralmente abreviados como IK, 6K, 12K, etc. para representar novamente o número de filamentos no fio, onde "K" indica 1000 filas e o número, por exemplo, 12, designa um multiplicador (isto é , 12K = 12.000 filamentos). Os fios 6K e 12K são provavelmente os graus mais econômicos comercialmente disponíveis. O termo " cabo" é utilizado geralmente para indicar um fio cru de torção nula. Os cabos combinados são indicados com um segundo número, como 12K6, o que significa 6 fios de 12K cada combinados.

[066] Outra característica importante de um adesivo para uso em cordonéis de tração é manter uma boa resistência ambiental, por exemplo, resistência contra umidade, umidade, ozônio, radiação UV, etc. É conhecido no estado da técnica que o ozônio pode degradar materiais elastoméricos por ataque à insaturação que leva à quebra ou à diminuição da capacidade de reticulação do material. Assim, quando um adesivo elastomérico perde a sua capacidade de reticulação, pode inferir-se que a adesão a uma matriz (por exemplo, borracha) será drasticamente diminuída.

[067] Por conseguinte, avaliamos a resistência ambiental das composições adesivas de invenção e comparativas após aplicação em um rebordo de fibra de carbono de 12K, seguida de torção do cabo e avaliação subsequente da adesão do cordonél em uma matriz de borracha. A adesão de cordonéis de tração em correias de transmissão de energia e similares desempenha um papel fundamental no desempenho e durabilidade do produto. A aderência suficiente do cabo ao corpo da correia deve ser mantida durante toda a vida útil da correia, caso contrário a correia pode apresentar falhas precoces. Isso ocorre porque a excelente adesão do cabo ao corpo de borracha possibilita uma transferência de carga eficiente da correia para os cabos de tração, contribuindo para uma transmissão eficiente de energia.

[068] Para análise comparativa, também foram preparadas amostras de cordonél de controle com um tratamento tradicional baseado em látex não iônico (por exemplo, látex + curativo). As amostras de cabo de carbono tratado foram expostas às condições de ozônio e umidade em uma câmara controlada por períodos de 24 e 48 horas, a fim de simular algumas das condições mais severas que os cabos elásticos podem encontrar durante o transporte, armazenamento ou uso no laboratório . As condições de teste incluíram: concentração de ozônio a 50 mPa de pressão parcial (0,6 ppm) e a uma temperatura de 104 ° F (40 ° C); e 80% de umidade relativa a 95 ° F (35 ° C). Após a exposição das amostras de cordonéla estas condições, os cordonéis foram colocados entre camadas de borracha, preferencialmente sob alguma tensão, e submetidos a vulcanização em uma prensa hidráulica aquecida ou câmara de forno. Após a cura, placas de cordonél-em-borracha foram seccionados em várias amostras, cada um em um formato em “T”, com o bloco de borracha como a "cabeça" e o cordonél, como a "cauda". A adesão do cordonél é avaliada medindose a força necessária para puxar o cabo para fora do bloco de borracha. Este teste de laboratório é semelhante ao padrão ASTM D4776 (teste H para reforço de cordonél para adesão de borracha) que pode ser realizado em uma máquina de teste de tração universal. A força medida é usada quantitativamente para caracterizar o grau de adesão de um dado tratamento e / ou cordonél a uma determinada borracha. O modo de falha do cordonél quando é puxado da borracha também pode fornecer uma avaliação qualitativa da aderência. Pode haver outros fatores que podem influenciar a força medida, tais como, módulo do composto de borracha, diâmetro / calibre do cordonél, temperatura de teste, etc., de modo que eles sejam mantidos constantes o máximo possível.

[069] Para as avaliações iniciais de adesão, foi utilizada borracha de EPDM e todas as amostras de adesão foram preparadas nas mesmas condições, sendo a única diferença o tratamento com adesivo no cordonél. O diâmetro dos cordonéis tratados não se alterou com o tratamento, e tipicamente pode se situar na faixa de 0,8 a 1,2 mm, mas preferencialmente de cerca de 1,0 mm. A Tabela 2 mostra os valores de adesão das amostras de cordonél de carbono após a exposição a condições de umidade e ozônio. Embora não tenha havido uma diferença apreciável na resistência à tração inicial dos cordonéis, pode ver-se que o adesivo da invenção tem um melhor desempenho após o envelhecimento. Os níveis elevados de umidade e ozônio não tiveram qualquer efeito significativo na adesão do cordonél de carbono com a composição adesiva inventiva e os valores de adesão da invenção foram superiores aos do cordonél de controle.

[070] A tabela 2 mostra uma comparação da adesão do cordonél entre o adesivo inventivo e o látex + adesivo curativo após a exposição de cordonéis de carbono tratados a condições de ozônio e umidade.

[071] TABELA 2. Adesão de cordonél (N)

1 Adesão inicial dos cordonéis antes da exposição a ozônio e umidade. Testes de adesão foram feitos sob temperatura ambiente.

[072] Como mencionado anteriormente, os tamanhos de cabo de fibra de carbono podem chegar a filamentos de até 48 K, no entanto, cabos de maior diâmetro podem ser construídos pela combinação de múltiplos cabos / cordonéis de um dado tamanho de cabo. Por exemplo, a construção 12K4 poderia ser uma combinação de quatro cabos / fios de 12K que podem ser realizados dobrando / cabeando / torcendo juntos os quatro cabos / cordonéis. Essa "combinação" de cabos / cordonéis para produzir um único cabo de bitola maior pode ser feita em etapas em que, por exemplo, cada cabo é torcido primeiramente em uma determinada direção e, depois, dobrado em outra direção determinada. Aqui, "direção" implica que o cabo / cordonél pode ser torcido helicoidalmente na direção S ou Z.

[073] Estes cordonéis de carbono de calibre maior são normalmente necessários em aplicações de acionamento por correia de alta durabilidade e alta carga, em que a excelente adesão do cabo à matriz de borracha é extremamente vital para o desempenho da correia. Assim, os cordonéis de carbono tratados com 12K4 foram fabricados e avaliados quanto à adesão à temperatura ambiente e sob elevadas temperaturas quanto a compostos de borracha EPDM e HNBR, como mostrado nas Tabelas 3 e 4, respectivamente.

[074] A tabela 3 mostra os resultados do teste de adesão com cordonéis de carbono 12K4 e com cordonél de vidro para borrachas EPDM e HNBR à temperatura ambiente (23 ° C). Ambos os tipos de cordonél tinham diâmetro semelhante. Os valores de adesão estão em Newtons. A tabela 4 mostra os resultados do teste de adesão com cordonéis de carbono 12K4 e com cordonél de vidro para borrachas EPDM e HNBR a temperatura elevada (85 ° C) TABELA 3

TABELA 4.

[075] Podemos observar que o adesivo da invenção confere uma adesão significativamente maior do que os outros adesivos à temperatura ambiente e mesmo à temperatura elevada. Estes resultados de adesão permitiram uma avaliação adicional dos cordonéis tratados na própria correia, como uma correia CVT. Em geral, o processo de fabricação de correias pode incluir a construção de várias camadas de têxteis, elastômeros e elementos de tração, verticais ou invertidos, em um molde cilíndrico ou em um mandril para transferência para um molde. O cordonél de tração pode ser enrolado de forma helicoidal em torno do mandril com um espaçamento de cordonél predeterminado ou número de extremidades por unidade de largura. O molde pode ter o perfil dentado formado no mesmo e / ou a chamada "matriz" pode ser utilizada para produzir um perfil dentado. Após a cura ou a vulcanização para formar uma placa, as correias individuais podem ser cortadas e / ou trituradas a partir dela com o ângulo ou ângulos de V adequados na superfície de contato e invertidas, se necessário. A Tabela 5 mostra a adesão do cordonél a partir de amostras de EPDM CVT. Para este teste, a força necessária para puxar 2 cordonéis para fora das correias é medida em uma máquina de teste de tração universal. A preparação da amostra para o teste é ilustrada na figura 2 e pode ser descrita como se segue: uma porção de correia 40 cortada em cerca de 4 "de comprimento (11 - 12 dentes 41); pode ser utilizada uma linha de corte de borda simples para cortar o quarto dente de uma extremidade (em 46). O dente cortado pode ser pego com um alicate e a ponta da correia mais próxima também é pega com um alicate, que é puxada para longe do dente e através da área do terreno, os dois cordonéis centrais 45 marcados com uma caneta fluorescente; então três dentes são contados e uma marca é feita no centro da área do terreno 43 conforme mostrado na figura 2. Um primeiro corte é feito através de cordonéis 44, todos exceto os 2 cordonéis centrais, na área onde o tecido foi removido (a 46), e um segundo corte 43 é feito através dos dois cordonéis centrais na área de terreno a três dentes de distância do primeiro corte.O corpo de prova é colocado nas empunhaduras de teste e puxado como indicado pelas setas na figura 2. O teste é interrompido após o pico de carga / força ser atingido.O teste pode ser realizado de maneira similar em qualquer correia dentada incluindo correias em V denteadas ou entalhadas.

[076] Os resultados do teste de arrancamento de dois cordonéis em amostras de correias CVT são mostrados na Tabela 5. O adesivo da invenção tem um desempenho comparável aos dois adesivos comparativos, tanto à temperatura ambiente como a temperatura elevada. TABELA 5. Adesão ao arranque de dois cordonéis (N) de correias CVT. Adesão ao arranque de dois cordonéis (N)

[077] A composição adesiva da invenção foi também aplicada a fibras e outros tipos de cordonél, tais como aramida, onde a compatibilidade foi avaliada testando as amostras de tecido e cordonél para adesão em relação a vários compostos de borracha. O tratamento com cordonél para aramida foi feito como descrito anteriormente, seguindo processos / métodos de tratamento de cordonél padrão conhecidos no estado da técnica. O tratamento inventivo voltou a ser realizado comparativamente a adesivos convencionais. O aramida era especificamente Kev-lar® 119, da DuPont.

[078] O tratamento do tecido foi feito mergulhando 1 "x 4" deamostra do tecido na formulação adesiva durante um determinado período de tempo, preferivelmente 25 minutos, secando a amostra em um forno a 121 ° C para remover o água, e medindo% DPU (dip pick up em peso) do adesivo. Outros métodos de tratamento para o tecido, tais como as condições de pulverização, deposição manual e / ou secagem ao ar, também podem ser aplicáveis. Material de revestimento / cimento pode ser aplicado aos tecidos tratados mergulhando o tecido tratado na formulação do revestimento, secando para remover o solvente do revestimento e medindo o % DPU. A preparação das amostras de base para testar a aderência nas estruturas foi realizada imprensando dois tecidos alternadamente entre três camadas de borracha nitrílica com um filme Mylar colocado na parte superior da borracha intermediária (ou seja, borracha-tecido-borracha-pelicula Mylar-tecido-borracha). O conjunto da base de aderência foi submetido à cura a 176 ° C durante 30 minutos e o teste foi efetuado em uma máquina de teste de tração universal a uma velocidade de 50 mm / min e em uma célula de carga de cerca de 50 kN. Os resultados de adesão para as amostras de cordonél de aramida e tecido de carbono são mostrados nas Tabelas 6 e 7, respectivamente.

[079] A Tabela 6 mostra uma comparação da adesão do cordonél com o adesivo inventivo versus o RFL no cordonél de aramida. O aditivo inventivo, mesmo sem um revestimento de cimento, oferece uma vantagem significativamente melhor do que o sistema de sobrecapa RFL +.

[080] A Tabela 7 mostra uma comparação de adesão de tecido com o adesivo da invenção versus adesivos de látex convencionais em tecido de fibra de carbono. O adesivo da invenção fornece novamente os maiores números de adesão nesta série de testes. O maior valor de adesão e modo de falha “rasgo de material” observado a partir do cordonél de aramida tratado com adesivo inventivo em relação ao cordonél de aramida padrão, que é atualmente usado em muitas construções de correias de transmissão de energia comercial, indica que a composição adesiva inventiva pode ser uma alternativa adequada aos adesivos RFL para o tratamento de cordonéis elásticos, incluindo, entre outros, cordonéis com estrutura molecular polar, tais como poliéster, vidro e outros cordonéis híbridos.

[081] Com base nos testes de aderência de tecido, é evidente que a composição adesiva inventiva pode ser aplicada não apenas a vários cordonéis de tração para uma adesão superior, mas a tecidos e / ou cabos de fibra de carbono planos, tornando-a bastante adequada como tratamento adesivo para processos de enrolamento de filamentos molhados por imersão ou métodos de pulverização. TABELA 6

[082] Embora seja necessária uma excelente adesão do cordonél à borracha para melhorar a vida útil da correia, é igualmente fundamental que o cordonél exiba boa fadiga por flexão para manter o desempenho, principalmente em aplicações de correia, em que ocorrem flexões severas durante toda a vida útil. Realizar o equilíbrio certo de excelente adesão do cordonél e fadiga por flexão da correia tem sido um desafio fundamental em muitos projetos de correias, em parte porque a maioria dos sistemas adesivos convencionais torna-se relativamente rígidos dentro do cabo de cordonéis e na interface do corpo de borracha após vulcanização. Como resultado, quando essa correia é submetida a flexões repetidas ou dobras para trás, a camada adesiva torna-se mais frágil e deslamina levando a falhas da correia. Os modos de falha podem incluir falha de tração do cordonél, desalinhamento do adesivo, puxamento do cordonél, etc. Portanto, um sistema adesivo que pode fornecer excelente adesão do cordonél e fadiga por flexão é necessário especialmente para o uso com alto módulo de elasticidade como cordonéis de carbono.

[083] A avaliação da fadiga por flexão dos cordonéis de carbono tratados 57 foi feita em construções de correia plana 52, como representado nas Figuras 3 e 4, para minimizar os efeitos do composto de borracha da correia, dentes e perfis angulares de uma cinta dentada. As correias planas 52 foram construídas com o composto de borracha EPDM 53 e testadas usando métodos de teste "peso morto" modificados. Uma disposição da bancada de teste 50 é mostrada na figura 3. A correia plana 52 tem cerca de 1340 mm de comprimento, cerca de 5,8 mm de espessura e 19 mm de largura. Os diâmetros da polia de acionamento 54 e da polia de acionamento 55 foram mantidos iguais a cerca de 100 mm; o diâmetro da roda dentada traseira 56 era de cerca de 75 mm e a correia era mantida sob tensão na carga do cubo 58 de cerca de 1800 N.

[084] A avaliação de desempenho das correias planas foi feita medindo-se a diminuição da resistência à tração das correias e monitorando-se a temperatura de operação da correia após a execução das correias para determinados períodos de tempo. Especificamente, a tração retida do cordonél foi calculada com base na tração da correia e no número de cordonéis dentro da largura da correia. Os resultados podem ser relatados como tração por cordonél (N / cordonél) ou como porcentagem de tração do cordonél retido, conforme mostrado na Tabela 8.

[085] Curiosamente, o cordonél de carbono tratado com a composição inventiva do adesivo mostra a mais alta porcentagem de tração do cordonél retido após 100 horas de teste de correia, 10% maior do que a amostra de carbono tratada com adesivo à base de látex. Todas as amostras de correia exibiram temperaturas de operação de correia similares.

[086] Note-se que tratamentos mais rígidos / cordonéis / compósitos de x geralmente tendem a dar temperaturas de funcionamento da correia mais altas devido à força extra necessária para dobrar a cinta, assim, a força adicional tipicamente se traduz em geração de calor (aumento de temperatura), atrito ou ruído. Também é geralmente entendido que altas temperaturas de funcionamento da correia podem ser prejudiciais para a vida útil da correia.

[087] A Tabela 8 mostra uma comparação de fadiga por flexão e temperatura de operação em correias planas de cordonél de carbono com tratamento com adesivo inventivo versus tratamento baseado em látex não iônico em cordas de carbono. A correia com tratamento com cordonél inventivo funciona levemente mais fria e com menos degradação à tração do que a correia comparativa com tratamento de cordonél à base de latex. TABELA 8.

[088] Testes adicionais de correia de durabilidade foram feitos em correias CVT dentadas com cordonéis de carbono tratados com a composição adesiva inventiva. Correias com cordonéis de carbono tratados com adesivo convencional à base de látex e cordonéis de aramida também foram usados como correias de controle. Algumas correias comerciais de CVT com correias de aramida foram testadas para comparação.

[089] Um dos testes de durabilidade realizados é o teste de motor de combustão, que é um teste de durabilidade da correia modificado que simula as condições de operação dos sistemas de acionamento do motor / embreagem em máquinas comerciais ATV / UTV e outras plataformas de acionamento CVT. As correias de teste foram construídas em tamanhos que se encaixam em sistemas de acionamento de veículos ATV / UTV disponíveis comercialmente. O "número de ciclos de falha" na Tabela 9 representa uma média de pelo menos cinco correias para cada conjunto de amostras. Cinquenta ciclos de correia são equivalentes a 2,5 horas no teste. O ajuste da potência do motor de teste foi de cerca de 70HP a uma velocidade de cerca de 7400 RPM e um binário de absorção de cerca de 37 lbf. O controlador e as RPMs acionadas foram cerca de 9200 e 9800, respectivamente, com um ciclo de 30 segundos carregados e 30 segundos em estado inativo. O desempenho das correias foi avaliado com base no número de ciclos até a falha e nos modos de falha. Acredita-se que o Teste de Motores Incendiados seja útil para examinar diferentes materiais e projetos de correias e para análise de desempenho de correias, incluindo a previsão dos resultados de campo. A Tabela 9 mostra o desempenho de durabilidade de três correias EPDM com reforços de cordonél de carbono. Os cordonéis de carbono com o tratamento com adesivo inventivo são comparados com aqueles com um adesivo à base de látex.

[090] Obteve-se melhorias significativas em termos de durabilidade com a composição adesiva inventiva comparativamente com correias comparativas EPDM / CVT de carbono - 78 horas versus 11 horas. Uma comparação favorável também resulta em relação a uma correia CR CVT disponível comercialmente com cordonél de carbono. À semelhança das amostras de correias comparativas, a amostra de correia de cordonél de carbono adesivo da invenção não se quebrou no ponto de falha, mas experimentou apenas rachaduras no dente do compósito de correia. Este modo de falha acompanhado pelo maior número de ciclos é uma boa indicação do desempenho superior da composição adesiva da invenção sobre os adesivos convencionais à base de látex. TABELA 9.

[091] Outro teste de correia foi o Teste de Durabilidade Sub-Drive, que possui condições de teste modificadas para simular condições de sob condução contínua a uma taxa de velocidade de 2,5 em veículos CVT, e é mais rígido do que o Teste de Motor Acionado. Este teste pode ser usado para prever o desempenho potencial do cordonél e da correia tratados em um veículo CVT comercial em campo, particularmente sob as condições de condução mais difíceis, ou seja, aceleração rápida do repouso ou em baixas velocidades. Os resultados do teste da correia sob tração são mostrados na Tabela 10. Mais uma vez, # de horas a falha é uma média de pelo menos 5 correias para cada caso. Todas as correias eram de tamanho similar, incluindo espessura, largura, ângulos de perfil, etc. Embora o modo de falha para todas as correias fosse semelhante ("despedaçada"), a correia de cordonél carbono tratada com adesivo apresentou um número maior de horas até a falha do que qualquer uma das correias. Correias comparativas, incluindo duas correias CVT utilizadas comercialmente.

[092] Note-se que alguns outros testes de correia CVT foram realizados, os quais mostraram desempenho comparável aos tratamentos de látex convencionais. Estes incluíam rigidez axial, teste de escorregamento e similares, e não são descritos em detalhes, pois não se esperava que esses tipos de testes fossem muito afetados pelo tratamento com adesivo de cordonel. TABELA 10.

[093] Com base nos resultados impressionantes do teste de durabilidade da correia para o cordonél de carbono tratado com adesivo da invenção, a avaliação de desempenho foi estendida às condições do teste de campo. O Teste de Campo envolveu as correias inventivas testadas em veículos ATV / UTV, como os veículos Polaris e Can Am Maverick que são usados para corridas, fins recreativos, etc. "Campo" aqui pode incluir todos os cursos off-road, terrenos desertos, pistas de corrida, cursos e similares, onde veículos ATV / UTV podem ser usados. Várias das correias de EPDM / carbono da Tabela 10 foram executadas em um veículo Polaris no campo e, após dois dias de operação, a correia permaneceu intacta, mostrando desgaste mínimo da correia, sem rachaduras e cordonél intacto. Por outro lado, as correias comparativas com um tratamento convencional à base de látex no cordonél de carbono não tiveram bom desempenho e sofreram falhas anteriores na linha do cordonél, o que pode ser atribuído à fraca adesão do cordonél.

[094] As correias de EPDM com o cordonél de carbono tratado com adesivo da invenção foram testadas em campo em um veículo Can-Am Maverick. Os pilotos relataram um aumento de 10% na potência e um ganho de 5 MPH na velocidade com essas correias. Além disso, as correias ficavam a cerca de 10 ° C mais frias e com menos desgaste nas embreagens do que as correias de stock (as correias "stock" podem referir-se a correias OEM). Esses atributos de desempenho podem ser muito benéficos, por exemplo, permitindo que os pilotos apresentem menos falhas na correia durante uma corrida e minimizando os custos de substituição da correia, além de reduzir os custos de manutenção das embreagens.

[095] Em outros testes de produtos, uma construção de correia síncrona automotiva convencional com o adesivo da invenção em cordonéis de tração de fibra de carbono foi comparada a correias com adesivos convencionais em fibra de vidro ou cordonel de carbono. As correias síncronas eram feitas de composto de borracha HNBR como o corpo da correia. Testes de correia estática realizados incluiram a adesão do cordonél de acordo com o teste previamente descrito ilustrado na figura 2. As correias também foram submetidas a um teste de flexão dinâmica de manivela fria a -25 ° C, em que a força de tração retida da correia foi medida e usada para avaliar o desempenho. Um teste de acúmulo de calor por correia também foi realizado nessas correias. O layout 60 para os testes de flexão e aquecimento a frio é ilustrado na figura 5. A correia síncrona 62 é treinada em torno de três polias dentadas com três rodas tensoras, uma em cada uma das três extensões. Para o ensaio de tração da correia retida a frio, as correias foram executadas a cerca de 720 RPM durante 10 ciclos a uma temperatura muito baixa (por exemplo -25 ° C) (em que 1 minuto e 59 minutos são iguais a um ciclo). Para o teste de acumulação de calor, as correias foram executadas sem carga a cerca de 6200 rpm para a polia motriz durante cerca de 4 horas à temperatura ambiente e a uma tensão de instalação de cerca de 200 N.

[096] Os resultados dos testes de flexão estáticos e dinâmicos das correias sincrônicas são apresentados na Tabela 11. Os resultados dos testes mostram que o cordonél de carbono tratado com adesivo ativo apresenta adesão comparável ao cordonél de vidro convencional e a cordonéis de carbono comparativos com adesivos à base de látex. No entanto, o tratamento com cordonél inventivo supera os demais significativamente na resistência à tração retida a frio, que é considerada devido à baixa transição vítrea da composição adesiva inventiva. TABELA 11

[097] Em resumo, a composição adesiva inventiva para cordonéis têxteis para compósitos de elastômero fornece boa compatibilidade entre fibras de carbono ou cordonéis (assim como outras fibras como aramida) e matrizes de elastômeros em produtos de borracha dinâmica reforçada incluindo correias de transmissão de energia de vários tipos. Os mesmos benefícios seriam também realizados em outros artigos compósitos reforçados, tais como mangueiras, vasos / tubos de pressão enrolados em filamentos e semelhantes. O adesivo da invenção proporciona uma adesão significativamente melhorada a vários compostos de borracha, tais como EPDM e HNBR, em comparação com o RFL convencional e outros sistemas baseados em látex. As correias inventivas mostram um aumento significativo da vida útil da correia em relação às correias convencionais ou comerciais dos mesmos tamanhos e mais de 10% de resistência à tração por manivela a frio retida melhorada em relação às correias síncronas automobilísticas convencionais.

[098] Além disso, testes de laboratório para estabilidade da composição adesiva da invenção indicaram longa vida útil (> 6 meses), ou seja, muito mais longa do que os adesivos RFL, com alteração mínima no pH da formulação, viscosidade ou porcentagem de sólidos ( ou seja, livre de gel e grãos). A formulação da invenção também requer menos matérias-primas com menor tempo de mistura do que as RFLs, por exemplo, cerca de 30 minutos versus 24 horas para a maioria das RFLs. O tratamento com cordonél utilizando a composição adesiva inventiva pode ser feito em uma etapa, isto é, sem necessidade de pré-tratamento do material do cordonél com um iniciador químico ou aplicação do material de sobrecapa. Esses recursos poderiam potencialmente oferecer economias significativas de custos em um processo de tratamento de cordonéis em relação ao uso de adesivos RFL tradicionais.

[099] Embora a presente invenção e suas vantagens tenham sido descritas em detalhes, deve ser entendido que várias mudanças, substituições e alterações podem ser feitas aqui sem desarticulação do escopo da invenção como definido nas reivindicações anexas. Além disso, o âmbito do presente pedido não se destina a ser limitado às formas de concretização particulares do processo, máquina, fabricaçao, composição da matéria, meios, métodos e etapas descritos na especificação. Como um versado na técnica apreciará prontamente a partir da descrição da presente invenção, processos, máquinas, fabricação, composições de matéria, meios, métodos, ou etapas, presentemente existentes ou mais tarde desenvolvidas que desempenhem substancialmente a mesma função ou consigam substancialmente o mesmo resultado que as concretizações correspondentes aqui descritas podem ser utilizadas de acordo com a presente invenção. Por conseguinte, as reivindicações anexas destinam-se a incluir no seu âmbito tais processos, máquinas, fabricação, composições de matéria, meios, métodos ou etapas. A invenção aqui divulgada pode ser adequadamente praticada na ausência de qualquer elemento que não esteja especificamente descrito aqui.

Claims (15)

1. Composição de material compósito CARACTERIZADA pelo fato de que compreende uma matriz polimérica e uma fibra reforçando a dita matriz polimérica, a dita fibra tendo sido tratada com uma composição aquosa adesiva e seca, a dita composição adesiva aquosa compreendendo: água como solvente ou meio dispersante; um polieletrólito co-curável com a matriz polimérica; um material iniciador compatível com a fibra e co-curável com o polieletrólito; e, opcionalmente, um curativo compatível com o polieletrólito e a matriz polimérica.

2. Material compósito, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o dito polieletrólito compreende uma cadeia principal polimérica com grupos de eletrólitos pendentes compreendendo sais de grupos ácidos orgânicos.

3. Material compósito, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que os sais são sais de sódio, potássio, amônio, magnésio, cálcio, alumínio, ferro, cobre ou zinco e os grupos ácidos orgânicos são grupos ácidos carboxílicos ou grupos ácidos sulfônicos.

4. Material compósito, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o material iniciador é uma resina epoxi ou uma dispersão epóxi aquosa.

5. Material compósito, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende o dito curativo, em que o curativo é um peróxido orgânico ou um curativo à base de enxofre.

6. Material compósito, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que o polieletrólito compreende insaturação na cadeia principal polimérica ou em grupos laterais.

7. Material compósito, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que a cadeia principal polimérica compreende um monômero de dieno.

8. Material compósito, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que a cadeia principal polimérica compreende polibutadieno.

9. Material compósito, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que o polieletrólito compreende pelo menos polibutadieno parcialmente neutralizado com enxerto de ácido maléico.

10. Material compósito, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a fibra é fibra de carbono.

11. Material compósito, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a fibra é fibra de aramida.

12. Composição elastomérica CARACTERIZADA pelo fato de que compreende uma matriz de elastómero e uma fibra reforçando a dita matriz polimérica, a dita fibra tendo sido tratada, seguida de secagem, com uma composição adesiva aquosa compreendendo: água como solvente ou meio dispersante; um polieletrólito co-curável com a matriz de elastômero; um material iniciador compatível com a fibra e co-curável com o polieletrólito; e, opcionalmente, um curativo compatível com o polieletrólito e a matriz de elastômero.

13. Correia de transmissão de energia CARACTERIZADA pelo fato de que compreende: um corpo elastomérico, uma fibra de reforço embebida no dito corpo e uma composição adesiva que reveste a dita fibra; a composição adesiva compreendendo o produto da reação de: um polieletrólito co-curável com a matriz polimérica, um material iniciador compatível com a fibra e co-curável com o polieletrólito e, um curativo compatível com o polieletrólito ou a matriz de elastômero.

14. Correia de transmissão de energia, de acordo com a reivindicação 13, CARACTERIZADA pelo fato de que a dita fibra de reforço é fibra de carbono.

15. Correia de transmissão de energia, de acordo com a reivindicação 13, CARACTERIZADA pelo fato de que a fibra de reforço é fibra de aramida.

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